基于白車身輪廓的后置處理算法

使用cnc生成控制程序（rc代碼）通常有三個步驟。首先，使用ptc模塊創(chuàng)建產(chǎn)品的二維或三維模型。然后，根據(jù)產(chǎn)品的特點和材料選擇合適的加工方法，設(shè)置加工參數(shù)，并從模塊生成加工路徑并進(jìn)行驗證。最后，根據(jù)目標(biāo)機械設(shè)計的型號，選擇合適的后勤處理文件（pst文件），處理帶有刀路徑數(shù)據(jù)的rci文件，最終生成適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)機的nb代碼。在以上三個步驟中,最后一步是最關(guān)鍵的,因為NC代碼的質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的加工質(zhì)量,NC代碼中任何一點點錯誤都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量問題甚至事故。雖然MasterCAM系統(tǒng)提供了絕大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)的PST文件,但并不能完全保證與目標(biāo)機床相兼容。因此,編程人員必須嚴(yán)格地參照數(shù)控系統(tǒng)的說明,對PST文件進(jìn)行適當(dāng)修改,以便生成正確的NC代碼。1pst文件的運行PST文件一般只需要修改與目標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)不兼容的代碼輸出格式,比如文件頭、文件尾、圓弧插補代碼(G02、G03)的形式、回轉(zhuǎn)軸的正向、不同的輔助功能M代碼等等,這些內(nèi)容的修改只要將相應(yīng)的參數(shù)值設(shè)定一下即可。具體操作可參照文獻(xiàn)[2～4]的說明。實際上,PST文件不僅能控制代碼輸出格式,而且定義了坐標(biāo)點、進(jìn)給速度、誤差修正的計算方法。比如進(jìn)給量計算部分標(biāo)號為pfclcdeginv的一段中有如下代碼:這與C語言的代碼何其相似,分支、函數(shù)、變量、運算符等樣樣俱全。顯然,PST文件是一種類似高級編程語言的腳本語言,它需要一個解釋程序來執(zhí)行,對于銑削模塊,這個程序就是系統(tǒng)中的mp.dll。MasterCAM軟件包中并沒有提供PST文件中所有變量的含義,以及詳細(xì)編寫方法。但是通過仔細(xì)地閱讀源文件和分析計算方法,提煉出了一些可供參考的PST語法。1.1流程控制(1)循環(huán):while條件,語句例如:(2)分支:if條件,語句1else,語句2例如:1.2確定基本函數(shù)條件運算符:<>,=,<=,>=邏輯運算符:或,&與,!非算術(shù)運算符:+,-,*,/,乘方賦值運算符:=復(fù)合語句說明符:[,]sin(x)、cos(x)角度x的正弦、余弦函數(shù)atan2(x,y)x/y的反正切函數(shù)sqrt(x)x的平方根函數(shù)abs(x)x的絕對值函數(shù)int(x)x的向下取整函數(shù)PST文件中定義了許多常量和變量,在此無法一一列舉。這里僅列出與編寫坐標(biāo)計算方法有關(guān)的變量。比如:x、y、z、c:X、Y、Z、C軸的系統(tǒng)當(dāng)前計算值prvx、prvy、prvz:X、Y、Z軸上一次的計算值xabs、yabs、zabs、cabs:X、Y、Z、C軸的絕對坐標(biāo)值xinc、yinc、zinc、cinc:X、Y、Z、C軸的相對坐標(biāo)值前綴“prv”一般表示上一次的計算值;用戶可以自定義變量,變量名與C語言的命名規(guī)則基本相同,并且將自定義變量及初始值放在PST文件前面“CommonUser-definedVariableInitializations”(即公共用戶自定義變量初始值)一段。1.5輸出文件為文件頭、文件尾、pxof、pxss的文件PST文件中各種代碼處理方法都用一個標(biāo)號指示。比如:psof表示文件頭,peof表示文件尾,pxout表示X軸輸出。標(biāo)號不需事先定義,可以直接改寫并引用。2編程應(yīng)用的示例2.1帶旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)控代碼一般而言,PST文件中的坐標(biāo)計算方法經(jīng)過了多年的考驗,是不需要修改的。但是,筆者在應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)MasterCAM的二維輪廓卷繞加工方式生成的數(shù)控代碼在加工中會產(chǎn)生一定的誤差。二維輪廓卷繞加工方式主要用來加工回轉(zhuǎn)型的凸輪、刀輥等零件。用戶只需給出零件的平面展開線圖,選擇輪廓加工方式(Contour),在加工參數(shù)頁面中選中旋轉(zhuǎn)軸(Rotaryaxis),然后在旋轉(zhuǎn)軸參數(shù)中選擇軸替換(Axissubsititution),指定要替換的軸(X或Y軸)、卷繞方向(順時針或逆時針)以及卷繞的直徑,即可生成帶旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)控代碼。分析表明,與此相關(guān)的后置處理段為:與X軸替換同理;在執(zhí)行這一段算法前,系統(tǒng)已經(jīng)對平面輪廓中的曲線(包括圓弧)做了直線逼近的處理,逼近精度由系統(tǒng)誤差變量vtolm(米制,英制為vtol)決定,vtolm越小,逼近精度越高,打斷的直線段數(shù)越多。另外,刀具半徑補償?shù)奶幚硪呀?jīng)寫入NCI文件中。算法中rotdia即卷繞直徑,csav是C軸保存值,還需在別處轉(zhuǎn)換為cabs值。上述算法不難理解,其主要作用是將Y軸(或X軸)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為A軸(或B軸)的坐標(biāo),同時將Z軸上移卷繞半徑值。總的來說,MasterCAM的這種加工方式可以概括為“先補償,后卷繞”。那么加工時為什么會有偏差呢?假設(shè)要加工如圖1a所示的展開線,小圓(1)、(2)表示不同的刀具位置,經(jīng)過卷繞,(1)處法截面為圖1b,刀具底邊切削刃與被加工展開線正好相切,可見在(1)處沒有加工偏差,(2)處的法截面為圖1c,A點為刀具底面中心,B點為展開線與截面的交點,C點為刀具底邊切削刃上刀尖點。顯然,弧線AB和直線AC的長度都等于刀具半徑,而B點與C點之間的距離導(dǎo)致加工出現(xiàn)偏差。如果展開線就是刀輥的刀刃,則內(nèi)外偏差相加,會使加工出的刀刃兩頭厚,中間薄,必須返工處理。2.2pst數(shù)據(jù)處理由上面的分析可知,偏差的出現(xiàn)正是由“先補償,后卷繞”造成的。那么,解決問題的關(guān)鍵也就是改變補償和卷繞的順序?！跋染砝@,后補償”,即先對展開線做卷繞處理,然后在每一點加上刀具半徑補償矢量(左刀補或右刀補)。按這種方式加工,圖1中(2)處的法截面如圖1d所示,這時B點與C點完全重合,徹底消除了加工偏差。剩下的問題是如何在PST文件中實現(xiàn)修正算法。由于系統(tǒng)中給出了當(dāng)前點的坐標(biāo)(x,y)和前一點的坐標(biāo)(prvx,prvy),為實現(xiàn)修正算法提供了必要的條件。如圖2所示,C點為當(dāng)前點,P點為前一點,R在PC延長線上,CR為刀具半徑矢量,刀具半徑由系統(tǒng)參數(shù)tldia(刀具直徑)得來,算法主要步驟如下:(1)首先計算出PC的距離(2)由刀具半徑與PC距離之比計算出R點坐標(biāo)(3)根據(jù)刀補方向計算刀補矢量的X、Y分量如左刀補,則CR逆時針旋轉(zhuǎn)90°到CRL:右刀補則CR順時針旋轉(zhuǎn)90°到CRR:(4)C點做卷繞,Y軸轉(zhuǎn)化為A軸,再加上刀補矢量得到最終坐標(biāo):2.3對生成刀補的修正僅僅完成上述計算還不能得到最終可用的NC代碼,PST文件的編程并不是C語言編程,不能控制每一步執(zhí)行過程,只能根據(jù)PST處理的特點做相應(yīng)的調(diào)整才能生成實用的NC代碼。問題1:刀具路徑中一般有Z軸的進(jìn)刀與退刀,此時,X、Y軸坐標(biāo)不變,按上面的算法計算的dist為0,下一步會出現(xiàn)除0溢出錯誤。解決方法是在計算坐標(biāo)之前加上條件語句,若dist為0,則X、Y軸坐標(biāo)保持上一次的值,否則執(zhí)行后續(xù)計算。問題2:由于修正算法需要當(dāng)前點和前一點,那么在計算第一點時,由于沒有前一點的數(shù)據(jù),所以第一點的計算會出現(xiàn)錯誤。這個問題在PST文件內(nèi)的確不好解決,因為PST文件的解釋程序mp.dll是無法修改的。但是可以考慮給展開線圖加上切向切入切出的過渡線,這一功能只需在輪廓方式加工參數(shù)中選中切入切出(Leadin/out),并設(shè)置過渡線的參數(shù)就可實現(xiàn),而不需要修改原始的圖形。既解決了第一點的問題,又解決了切入過切的問題,可謂一舉兩得。問題3:能否自動地選擇左刀補或右刀補,而不需額外干預(yù)。MasterCAM中主要提供了兩種刀具補償方法:計算機補償和控制器補償。如果選擇計算機補償,則將刀具補償后的刀位點寫入NCI文件;如果選擇控制器補償,則在NC代碼中生成G41(左刀補)、G42(右刀補)代碼,由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)刀具半徑計算刀位點。為了保留原始數(shù)據(jù),本文算法要求使用控制器補償,并且選定刀補方向,由此產(chǎn)生的NCI文件中將包含刀補方向信息,可供修正算法中條件判斷語句使用,但多余的G41(G42)指令必須除去。通過查閱MasterCAM的幫助文檔,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)變量cc保存著當(dāng)前的刀補參數(shù)(cc即cuttercompensation的縮寫),可取值為0(刀補模態(tài)值)、40(刀補注銷)、41(左刀補)、42(右刀補)、140(輪廓結(jié)束刀補注銷)。因為刀補指令是模態(tài)指令,所以,G41(或G42)只在進(jìn)入刀補時出現(xiàn)一次,因此必須設(shè)置一個標(biāo)志flag保存此時cc的值,當(dāng)cc值不等于41(或42)時,flag不變,則可以用flag作為左右刀補的判斷條件。對比PST文件和NC代碼文件,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生刀補指令的標(biāo)志是標(biāo)號plinout段(即直線輸出)中的pccdia,只要將它刪去,就可以去掉多余的G41、G42指令。2.4x軸替換化綜上所述,筆者編寫的二維輪廓卷繞處理段如下:與X軸替換同理,故略。上述算法需要在自定義變量段定義4個變量:dist、xrd、yrd、flag,初值皆為0。3回轉(zhuǎn)刀輥的nc代碼筆者在MasterCAM默認(rèn)的后置處理文件mpfan.pst(適用于Fanuc數(shù)控系統(tǒng))中,以上述代碼段替換了原來的代碼。修改前生成的NC代碼中的一個運動段為:N118X